JP2004227796A - プラズマ処理方法，プラズマ処理の改善方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を利用したプラズマ処理装置を使用してプラズマ処理する際に，スロットアンテナと下方の誘電体窓との間のギャップを最適にして，整合を取りやすくし，またプラズマに対する電力の投入効率を改善する。
【解決手段】マイクロ波供給装置３６から同軸導波管３５に対してマイクロ波が供給され，アンテナ部材３１のスロットアンテナ３２からリークした電磁界が誘電体窓２２を透過して処理容器２内にプラズマを発生させる。スロットアンテナ３２と誘電体窓２２間のギャップＧの長さｄを，マイクロ波がギャップＧを通過する波長の１／４程度にする。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマ処理方法，プラズマ処理の改善方法及びプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から，ＲＦ（ラジオ高周波）よりも高い周波数のマイクロ波を用い，処理容器内にプラズマを発生させて処理容器内の基板に対してエッチング，アッシング，成膜等の処理を施す技術が開示されている。かかる場合，封止体とも称される石英ガラス等の誘電体窓を処理容器の上部開口に設け，その上方に平板状のスロットアンテナを持つアンテナ部材を配置し，マイクロ波供給装置からのマイクロ波を円筒導波管によって前記アンテナ部材に伝搬させて，前記スロットアンテナのスロットからリークさせたマイクロ波によって処理容器内にプラズマを発生する装置が使用されている（例えば，特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
国際公開ＷＯ−０１−７６３２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記従来のプラズマ処理装置は，誘電体窓とアンテナ部材との間のギャップについては，何ら考慮されていない。この点に関し，発明者らの検証によれば，前記ギャップを変化させると，ＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ），あるいは反射係数Γに変化が認められることが確認できた（ＶＳＷＲ＝（１＋Γ）／（１−Γ））。このＶＳＷＲが大きいと，整合がとりづらくなり，また発生したプラズマに対する電力の投入効率が悪くなってしまう。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり，誘電体窓とアンテナ部材との間のギャップを最適にして，整合を取りやすくし，またプラズマに対する電力の投入効率を改善することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため，本発明のプラズマ処理方法は，処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，下面に平板状のスロットアンテナ又は中心部が凹状や凸状になった傘形アンテナを有し，前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置を用いると共に，前記誘電体窓の厚さを，前記マイクロ波の前記誘電体窓を通過する際の波長の約１／２とし，さらに前記ギャップの長さをｄとしたとき，２＜ｄ＜６ｍｍとなるように，前記ギャップの長さを設定してプラズマ処理を施すことを特徴としている。かかる場合，前記処理空間の圧力を５０×１．３３Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下とすることが好ましい。
なお本発明で言うところの前記誘電体窓の厚さを，前記マイクロ波の前記誘電体窓を通過する際の波長の約１／２とは，（１／２）±（１／８）程度のものをいう。また導波管としては，円筒導波管，同軸導波管を使用することができる。
【０００７】
発明者らの実験によれば，かかる条件でＶＳＷＲ特性あるいは反射係数Γの特性を調べた結果，図１に示したように，ギャップの長さが２ｍｍ〜６ｍｍの間では，他よりもＶＳＷＲが低くなっていることが確認できた。
【０００８】
このような特性が出た理由は，現時点では次のようなことが考えられる。すなわち，この種のスロットアンテナにおけるスロットの長さは，共振を防止するため，マイクロ波がアンテナ部材中で伝搬する際の波長λｃの１／２より小さいところで使用している。ところが前記ギャップを短くしていくと，誘電体窓がスロットアンテナ近づくためギャップ中の雰囲気の誘電率が変化し，そのためたとえばλｃ／１０に設定していたものが，実際はλｃ／８というように少し大きくなって，結果的にプラズマに投入される電力としてはプラズマに対してリークしやすい方向にシフトしていると考えられる。そのためＶＳＷＲが小さくなると考えられる。ただし，さらにギャップを０に近づけていった場合にＶＳＷＲが再び上昇する理由については，未だ不明である。
【０００９】
したがって，前記ギャップの長さをｄとしたとき，２＜ｄ＜６ｍｍとなるように，前記ギャップの長さを設定してプラズマ処理を施すようにすれば，プラズマに対する電力の投入効率が改善され，反射も少ないので整合も取りやすくなる。
【００１０】
したがって，以上のようなことから，本発明によれば，処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，下面に平板状のスロットアンテナ又は中心部が凹状若しくは凸状の傘形アンテナを有して前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置において，前記ギャップの長さを変化させることで，前記プラズマに対して投入される電力効率を改善することを特徴とする，プラズマ処理の改善方法も提案できる。なお導波管としては，円筒導波管，同軸導波管を用いることができる。
【００１１】
前記したように，前記した圧力条件の下でギャップを小さくしていくと，ある程度の範囲でＶＳＷＲ特性が小さくなることができたが，圧力条件を考慮せず，たとえば大気中において前記ギャップの長さを変化させていくと，後述したように，前記マイクロ波のギャップを通過する際の波長をλｇとしたとき，このλｇとギャップの長さとの関係でも，やはりＶＳＷＲ特性が変化することが確認できた。したがってこれらのことから，本発明のように，前記ギャップの長さを変化させれば，ＶＳＷＲを小さくし，その結果マイクロ波によって処理容器内で発生したプラズマに対して投入される電力効率を改善することが可能になる。
【００１２】
以上のことから，前記ギャップの長さを波長λｇで表してＶＳＷＲとの間の関係について，発明者らがさらに実験したところ，図２に示したような特性が得られた。これによれば，前記ギャップｄの長さを，波長λｇとの関係で表したとき，ギャップｄの長さが，ｄ＝λｇ／８のところでＶＳＷＲが次第に低下し，ｄ＝２λｇ／８，すなわちλｇ／４の辺りで最も低くなり，また次第に上昇し，３λｇ／８の辺りで元の値に戻るという特性が得られた。
【００１３】
このような特性になった理由としては，現時点では，次のように考えられれる。すなわちスロットアンテナから放出されたマイクロ波による電磁界の波は，ギャップ長がλｇ／４に設定されていると，誘電体窓上面からの反射波がアンテナ面に戻ってきた時に，およそ位相が１８０゜変化しているので，アンテナ面で電磁界が一部キャンセルされる。従って反射電力が減少し，ＶＳＷＲが小さくなる。そして（λｇ／４）から離れるとその効果が小さくなるものと思われる。反射波が打ち消されると，その分電力のプラズマへの投入効率が上昇し，また整合もとりやすくなる。
【００１４】
以上のような結果から鑑みれば，マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置であって，前記処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，下面に平板状のスロットアンテナを有し，前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，前記ギャップの長さをｄ，前記マイクロ波の前記ギャップを通過する際の波長をλｇとしたとき，ｄ＝λｇ／８〜３λｇ／８となるように，前記ギャップの長さを設定すれば，ギャップｄが当該範囲外の場合よりも，電力のプラズマへの投入効率が上昇し，また整合もとりやすくなる。なお導波管としては，円筒導波管，同軸導波管を用いることができる。もちろん平板状のスロットアンテナに代えて，中心部が凹状若しくは凸状に形成された傘形アンテナを使用してもよい。
【００１５】
またｄ＝λｇ／４のところでＶＳＷＲが最も小さくなるのであるから，波の周期性を考えれば，ｄ＝（２ｎ−１）λｇ／４ というように，ギャップｄの長さを設定すれば，同様にｄがそれ以外の値の場合よりも，電力のプラズマへの投入効率が上昇し，また整合もとりやすくなると考えられる。但し，実際に装置として構成した場合，各部材の特性や取り付け精度，その他の誤差により，あるいは複数のモードが発生し，各モードに応じて波長が異なるので，誤差が生ずる。したがって必ずしもｄ＝（２ｎ−１）λｇ／４のときにＶＳＷＲが最も小さくなるとは限らないので，実機の使用上はかかる点を考慮して，ｄ＝｛（２ｎ−１）λｇ／４｝±（λｇ／８）の範囲にギャップの長さを設定すれば，実用上好ましいと考えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図３は，本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１の縦断面の様子を示しており，このプラズマ処理装置１は例えばアルミニウムからなる，上部が開口した有底円筒状の処理容器２を備えている。なお前記処理容器２は接地されている。この処理容器２の底部には，基板として例えば半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗを載置するためのサセプタ３が設けられている。このサセプタ３は例えばアルミニウムからなり，処理容器２の外部に設けられた交流電源４から，バイアス用の高周波が供給されるようになっている。
【００１７】
処理容器２の底部には，真空ポンプなどの排気装置１１によって処理容器２内の雰囲気を排気するための排気管１２が設けられている。また処理容器２の側壁には，処理ガス供給源１３からの処理ガスを供給するための供給管１４が設けられている。
【００１８】
処理容器２の上部開口には，気密性を確保するためのＯリングなどのシール材２１を介して，たとえば石英ガラスからなる誘電体窓２２が設けられている。石英ガラスに代えて，他の誘電体材料，たとえばセラミックスを使用してもよい。この誘電体窓２２によって，処理容器２内に，処理空間Ｓが形成される。誘電体窓２２は，平面形態が円形である。
【００１９】
誘電体窓２２の上方には，ギャップＧを介してアンテナ部材３１が設けられている。本実施の形態において，アンテナ部材３１は，たとえば最下面に位置するスロットアンテナ３２，その上部に位置する遅波板３３，遅波板３３を覆うアンテナカバー３８によって構成されている。
【００２０】
スロットアンテナ３２は，図４に示したように，導電性を有する材質，たとえば銅の薄い円板からなり，一のスロット３２ａの端部付近に対して直角に近い鋭角をもって他のスロット３２ｂの端部が接近して１対をなす組が，同心円状に整列して形成されている。
【００２１】
遅波板３３の中心には，導電性を有する材質，たとえば金属によって構成された円錐形の一部を構成するバンプ３４が配置されている。このバンプ３４は，内側導体３５ａと外管３５ｂとによって構成される同軸導波管３５の当該内側導体３５ａと電気的に導通している。同軸導波管３５は，マイクロ波供給装置３６で発生させた，たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を，負荷整合器３７を介して同軸導波管３５を通じ，前記アンテナ部材３１に伝搬させるようになっている。
【００２２】
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は，以上の構成を有しており，プラズマ処理する際には，処理容器２内のサセプタ３上にウエハＷを載置し，供給管１４から所定の処理ガスを処理容器２内に供給しつつ，排気管１２から排気することで，処理空間Ｓ内を所定の圧力にする。そして交流電源４によってウエハＷにバイアス高周波を印加すると共に，マイクロ波供給装置３６によってマイクロ波を発生させて，これを同軸導波管３５によってアンテナ部材３１に伝搬させると，処理空間Ｓにおいてプラズマが発生して，処理ガスの種類等を選択することで，ウエハＷに対して所定のプラズマ処理，エッチング，アッシング，成膜等の各種のプラズマ処理が実施できる。
【００２３】
ところで，本実施の形態にかかるプラズマ装置１においては，アンテナ部材３１下面のスロットアンテナ３２と誘電体窓２２との間には，ギャップＧが介在しており，このギャップＧの長さｄをマイクロ波の波長に応じて，適宜設定することで，前記プラズマに対する電力投入効率を改善させることができる。以下，幾つかの例を挙げる。
【００２４】
（第１実施例：圧力と共に調整する例）
（１）処理容器２内の圧力を５０×１．３３Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下に設定する。これは排気装置１１からの排気量と処理ガス供給源１３からの処理ガス供給量によって調整する。
（２）誘電体窓２２の厚さをマイクロ波が誘電体窓２２を通過する際の波長λｃのおよそ１／２とする。たとえばマイクロ波供給装置３６から供給されるマイクロ波の波長が２．４５ＧＨｚの場合，誘電体窓２２の厚さを３０ｍｍ以上とする。
（３）ギャップＧの長さｄを２＜ｄ＜６ｍｍとなるように設定する。
以上の条件下でプラズマ処理を実施すれば，発生するプラズマに対して電力投入効率が向上し，また負荷整合器３７での整合がとりやすくなる。
なお傘形アンテナの場合には，図５に示したように，傘形アンテナ４１の外周部と誘電体窓２２の上面との間のギャップＧの長さをｄとする。この傘形アンテナ４１は傘の帆に似た形状を有することからそのように呼称されており，外形が略円錐台形状をなし，中央部が上方に凸に盛り上がった形状を有しているそして，導電性の部材からなるアンテナ本体４１ａには，前出スロット３２ａ，３２ｂがたとえば環状，渦巻状に形成されている。なおバンプ３４は，アンテナ本体４１ａの頂上部に形成された平坦部に配置される。
また図６に示したように，図５の傘形アンテナ４１を上下に逆さまにした形状の傘形アンテナ４５を使用する場合にも，図６に示したように，傘形アンテナ４５の外周部と誘電体窓２２の上面との間のギャップＧの長さをｄとする。この傘形アンテナ４５のアンテナ本体４５ａにも，前出スロット３２ａ，３２ｂがたとえば環状，渦巻状に形成されている。そしてバンプ３４は，アンテナ本体４５ａの窪みの部分の中心に形成された平坦部に配置される。
【００２５】
（第２実施例：波長との関係でギャップを調整する例）
（１）ギャップＧの長さｄを，マイクロ波がギャップＧを通過する際の波長λｇのλｇ／８〜３λｇ／８となるように調整する。たとえばマイクロ波供給装置３６から供給されるマイクロ波の波長が２．４５ＧＨｚ，ギャップＧの長さｄをλｇ／４として設定する場合，１５ｍｍ〜４５ｍｍの間に設定する。好ましくは３０ｍｍ，及びその前後の２０〜４０ｍｍがよい。
以上の条件下でプラズマ処理を実施すれば，発生するプラズマに対して電力投入効率が向上し，また負荷整合器３７での整合がとりやすくなる。
【００２６】
また以上のことから，本発明によれば，ギャップＧの長さを変化させることで，処理容器２内に発生したプラズマに対して投入される電力効率を改善することが可能であり，また負荷整合器３７での整合がとりやすくなるという効果が得られる。
【００２７】
なおアンテナ部材３１の導波路となる遅波板３３は，これを設けず，導波路自体を単なる空間にしてもよい。また該空間は大気側に通じていても良い。さらに遅波板３３の材料自体は，誘電体（たとえば発泡スチロール，石英ガラス，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ等）を用いることができる。遅波板３３の設置についても，遅波板３３が占めている空間の一部あるいは全部に設置されていてもよい。
【００２８】
なお以上の例では，マイクロ波の波長が２．４５ＧＨｚの場合であったが，もちろんこれ限らず，種々のマイクロ波に対して適用できる。また処理対象である基板も半導体ウエハに限らず，ＬＣＤガラス基板などの各種基板に対しても適用可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば，マイクロ波の供給によってプラズマを発生させてプラズマ処理する際に，プラズマ側からの反射波との整合をとりやすくでき，またプラズマに対する電力の投入効率を改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがって，ギャップを調整したときのＶＳＷＲ特性を示すグラフ図である。
【図２】本発明にしたがって，マイクロ波の波長に依拠してギャップを調整したときのＶＳＷＲ特性を示すグラフ図である。
【図３】本実施の形態にかかるプラズマ処理装置の縦断面図である。
【図４】図１のプラズマ処理装置に使用したスロットアンテナの底面図である。
【図５】傘形アンテナの側面断面図である。
【図６】他の傘形アンテナの側面断面図である。
【符号の説明】
１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ サセプタ
２２ 誘電体窓
３１ アンテナ部材
３２ スロットアンテナ
３２ａ，３２ｂ スロット
３５ 同軸導波管
３６ マイクロ波供給装置
３７ 負荷整合器
Ｇ ギャップ
Ｓ 処理空間
ｄ ギャップの長さ
Ｗ ウエハ

Claims (6)

1. 処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，下面に平板状のスロットアンテナ又は中心部が凹状若しくは凸状の傘形アンテナを有して前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置を用い，
   前記誘電体窓の厚さを，前記マイクロ波の前記誘電体窓を通過する際の波長の約１／２とし，
   さらに前記ギャップの長さをｄとしたとき，
   ２＜ｄ＜６ｍｍとなるように，前記ギャップの長さを設定してプラズマ処理を施すことを特徴とする，プラズマ処理方法。
2. 前記処理空間の圧力を５０×０．１３３Ｐａ以下としたことを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，下面に平板状のスロットアンテナ又は中心部が凹状若しくは凸状の傘形アンテナを有して前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置において，
   前記ギャップの長さを変化させることで，前記プラズマに対して投入される電力効率を改善することを特徴とする，プラズマ処理の改善方法。
4. マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置であって，
   前記処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，
   下面に平板状のスロットアンテナを有し，前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，
   マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，
   前記ギャップの長さをｄ，前記マイクロ波の前記ギャップを通過する際の波長をλｇとしたとき，
   ｄ＝λｇ／８〜３λｇ／８となるように，前記ギャップの長さが設定されていることを特徴とする，プラズマ処理装置。
5. マイクロ波の供給によって発生したプラズマによって，処理容器内の基板に対して処理を施すプラズマ処理装置であって，
   前記処理容器の上部開口部を気密に覆う誘電体窓と，
   下面に平板状のスロットアンテナを有し，前記誘電体窓の上方にギャップをおいて配置されたアンテナ部材と，
   マイクロ波供給装置からのマイクロ波を前記アンテナ部材に伝搬させる導波管とを有し，
   前記ギャップの長さをｄ，前記マイクロ波の前記ギャップを通過する際の波長をλｇ，自然数をｎとしたとき，
   ほぼｄ＝（２ｎ−１）λｇ／４となるように，前記ギャップの長さが設定されていることを特徴とする，プラズマ処理装置。
6. 前記平板状のスロットアンテナに代えて，中心部が凹状若しくは凸状の傘形アンテナを用いたことを特徴とする，請求項５又は６に記載のプラズマ処理装置。

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